振动加速因子试验方法研究

    引　言

    振动环境下产品的破坏模式通常分为两类[1-2]:振动疲劳破坏和振动峰值破坏。振动疲劳破坏是振动量值累积量到某一期望值时结构发生破坏,正常环境应力作用下短期内难以显现。振动峰值破坏是由于响应位移或响应包络线超过某一值从而导致产品结构破坏,只要超过某一值的振动量值存在,破坏状态短期内容易显现。

    振动环境试验是检验武器装备(产品)的耐振动可靠性的主要方式之一。随着科学技术的发展和设计、制造工业水平的大幅度提高,产品耐振动疲劳破坏能力相应增强,一些新产品在现有规定量级下短期内难以达到理想的试验效果,很难验证产品耐振动环境的适应能力。如果增加试验时间,则增加了试验成本。通过加大振动量级缩短试验时间的加速振动方法是解决此问题的常用方法。加速振动试验的关键是确定时间与振动量级的等效计算关系的加速因子。虽然有关文献对振动加速因子有一定的推荐,但范围较宽为3～26[3],目前试验过程中常取的MIL-STD810F推荐值为8,显然,对所有材料都取此值是不合理的。

    现有的文献对加速振动方面的研究主要集中在加速因子计算方程推导[1]、寻找、改善产品的薄弱环节提高产品可靠性方面[4]。要想试验获得可用的加速因子,需要推导出随机振动应力作用下的加速速寿命试验及对试验数据进行相应验证和处理,从而求得该样件材料的振动加速因子。

    1　振动加速因子试验获取研究的理论依据

    1.1　疲劳累积损伤原理

　　金属构件的大多数疲劳数据是从等应力幅疲劳试验中获得的[5-6],由此建立S-N关系,其中:S为应力幅;N为以循环次数(周数)表示的疲劳寿命。这种关系可表示为

SbNS=A(1)

    其中:b,A为材料常数。

    按照线性疲劳累积损伤Palmgren-Miner假设,在连续载荷作用下总的累积损伤为

    其中:ns为应力作用次数;Ns为达到破坏时的平均破坏均破坏循环次数。

    1.2　随机应力作用下的损伤累积

    当应力为严重的共振系统的响应时,应力S(t)是中心频率为产品固有频率的窄带过程[6]。在一段时间T内导致的累积损伤为D(T),在某一个时间点内当D(T)≥1,产品发生失效。当应力幅值为s时,ns的循环次数为

ns=E(p)Tp(s) (3)

    其中:E(p)为随机响应信号峰值频率的期望;p(s)为幅值概率密度函数;T为作用时间。

    将式(1)和式(3)代入式(2),可得